DE3832208A1 - Steuerbares leistungshalbleiterbauelement - Google Patents

Steuerbares leistungshalbleiterbauelement

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DE3832208A1
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Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Lei­ stungselektronik. Sie betrifft insbesondere ein steuerbares Leistungshalbleiterbauelement, umfassend
  • (a) eine Anode, eine Kathode und ein Gate;
  • (b) zwischen der Anode und der Kathode eine Schichtenfolge aus einer p-Emitterschicht, einer n-Basisschicht, einer p-Basisschicht und einer n-Emitterschicht; und
  • (c) auf der Seite der Kathode eine Gate-Kathoden-Struktur.
Ein solches Bauelement ist als MOS-kontrollierter Thyristor (MCT) z.B. aus dem Artikel von V.A.K.Temple, IEEE Transactions on Electron Devides, Vol. ED-33, No.10 (1986), S.1609-1618, oder als Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO) z.B. aus der EP-A2 02 41 662 bekannt.
Stand der Technik
Die moderne Leistungselektronik fordert heute schnelle, mit einfachen Mitteln steuerbare Halbleiterbauelemente bis zu den höchsten Leistungsbereichen. Für kleine und mittlere Leistun­ gen haben sich hierfür bisher insbesondere Leistungs-MOSFETs wegen ihrer großen Eingangsimpedanz an der Steuerelektrode angeboten.
Höhere schaltbare Leistungen sind aber bekanntermaßen nur mit Bipolarstrukturen (Power-BJT, Thyristoren) erreichbar. Dennoch würde man gerne an der einfachen und insbesondere lei­ stungsarmen Steuerung, welche man bei den Leistungs-MOSFETs verwendet, festhalten.
Man hat die positiven Aspekte der Bipolar- und MOS-Strukturen erstmals in Form des IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) miteinander vereint. Resultat dieser Vereinigung waren wie er­ wartet Bauelemente der 1kV-Klasse mit wesentlich kleineren Durchlaßwiderständen als bei den vergleichbaren Leistungs- MOSFETs.
Andererseits macht sich bei den IGBTs die allen bipolaren Bau­ elementen inhärente Überflutung eines hochohmigen Bereichs des Bauelements bemerkbar: Sie erreichen notgedrungen nicht die hohen Schaltgeschwindigkeiten der entsprechenden unipolaren Bauelemente.
Steuerbare Halbleiterbauelemente für höchste Leistungen sind heute die GTO(Gate Turn Off)-Thyristoren. Im Prinzip un­ terteilt man auch hier die gesamte Chipfläche in eine Vielzahl von parallel geschalteten Elementarzellen. Über den Gatekon­ takt können diese Bauelemente ein- und ausgeschaltet werden; allerdings ist dabei ein enormer Schaltungsaufwand für die Gateansteuerung in Kauf zu nehmen.
Abhilfe verspricht hier wiederum die MOS-Technologie: es lassen sich verschiedene Strukturen für solche MCTs (MOS Con­ trolled Thyristors) angeben, die alle kathodenseitige, über MOS-Gates schaltbare Kurzschlüsse besitzen.
Es wurde bereits experimentell demonstriert, daß dieses Prin­ zip es gestattet, Stromdichten von mehr als 1000 Acm-2 abzu­ schalten. Auch bei diesen MCTs ähnelt die Struktur der Kathode denen von Leistungs-MOSFETs und IGBTs. Somit besitzen auch die Elementarzellen vergleichbare Abmessungen (typische Werte lie­ gen bei 20-30 µm). Will man ein großes Bauelement (z.B. auf einem 4′′-Wafer) realisieren, ergeben sich schnell Probleme mit der Fertigungs-Ausbeute. Dennoch zählt der MCT gegenwärtig zu den interessantesten Kandidaten für zukünftige Leistungshalbleiterbauelemente.
Es ist heute üblich, die den Thyristoren eigenen Instabi­ litäten während des dynamischen Betriebs durch externe Beschaltung mit passiven Bauelementen zu eliminieren. Diese Beschaltung begrenzt die Anstiegsgeschwindigkeit der Ano­ denspannung (dV/dt) auf die für sicheres Abschalten einzuhal­ tenden Werte.
Bei Thyristoren vom Typ des GTO können extrem inhomogene Stromdichteverteilungen (Filamente) während des Abschaltens auftreten. Der Strom konzentriert sich dann im wesentlichen auf ein Kathodenelement und kann schnell zur Zerstörung des Thyristors durch thermische Überlastung führen. Diesem Effekt muß deshalb durch ein besonderes Design des Bauelements sowie geeignete Schutzschaltungen Rechnung getragen werden.
Allgemein müssen in einem physikalischen System zwei Voraussetzungen erfüllt werden, um eine Ausbildung von Fila­ menten zu ermöglichen: Zum einen muß das System eine positive Rückkopplung aufweisen. Bei Thyristoren ist dies automatisch durch die pnpn-Struktur gewährleistet. Die zweite Vorausset­ zung ist die Existenz von Fluktuationen einer oder mehrerer physikalischer Größen.
Bekannt und bereits beschrieben ist in diesem Zusammenhang z.B. die Stromkonzentration unter den vergleichsweise breiten Steuersegmenten im herkömmlichen GTO. Sie wird durch den be­ grenzten Querleitwert der p-Basis hervorgerufen; dieser Auslösemechanismus tritt in feinstrukturierten Elementen wie dem MCT nicht auf.
Hieraus darf allerdings nicht die Schlußfolgerung gezogen werden, daß der MCT filamentfrei abschalten könnte. Nach dem heutigen Wissensstand glaubt man, daß beim MCT das Phänomen des "dynamic avalanche" Auslöser für die Filamentierung während des Abschaltens ist (siehe z.B.: M.Stoisiek et al. IEEE International Electron Devices Meeting Techn.Dig.(1987), S.666-669).
Während des Abschaltens durchläuft ein feinstrukturiertes Bau­ element wie der MCT Zeitabschnitte, in denen bei sich bereits aufbauender Raumladungszone am PN-Übergang von der p-Basis­ schicht zur n-Basisschicht noch erhebliche Ströme fließen. Wegen des rasch anwachsenden elektrischen Feldes driften jetzt Löcher aus der noch überschwemmten n-Basis mit Driftsättigungsgeschwindigkeit durch die Raumladungszone zur Kathode.
Die Dichte dieser Löcher, welche nur vom externen Strom ab­ hängt, beeinflußt sehr stark den Feldverlauf über der Raumla­ dungszone. Wegen ihrer positiven Ladung bewirken die Löcher eine effektive Erhöhung der Dotierung der n-Basisschicht, wel­ che sich in einer Felderhöhung am PN-Übergang von der p- Basisschicht zur n-Basisschicht äußert. Je nach Höhe des ex­ ternen Stromes kann dieser Betrag so groß werden, daß die unter statischen Bedingungen gültige Durchbruchfeldstärke überschritten wird. Mit "dynamic avalanche" ist eben diese Feldüberhöhung durch freie Löcher sowie der verfrühte Durch­ bruch gemeint.
Die durch driftende Löcher erzeugte Feldüberhöhung kann nur in den Fällen ins Gewicht fallen, in denen die n-Basis- Substratdotierung etwa gleich groß oder sogar kleiner ist als die Löcherkonzentration. So wird unter den Bedingungen der Driftsättigung eine Stromdichte von etwa 100 Acm-2 durch eine Löcherdichre von 6 · 1013 cm-3 getragen. Dieser Wert liegt in der Tat nahe an den fur Thyristoren typischen Substrat­ dotierungen von 1 · 1013 cm-3 bis 1 · 1014 cm-3 und führt zwangsläufig zu einer starken Feldüberhöhung beim Abschalten.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein steuerbares Leistungshalbleiterbauelement zu schaffen, bei dem diese Feld­ überhöhung erheblich reduziert ist.
Die Aufgabe wird bei einem Bauelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß
  • (d) zwischen der n-Basisschicht und der p-Basisschicht eine n-dotierte Zwischenschicht angeordnet ist; und
  • (e) die Dotierungskonzentration in der Zwischenschicht höher ist als in der n-Basisschicht.
Gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung weist das Bauelement die Struktur eines MOS-kontrol­ lierten Thyristors (MCT) auf.
Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration in der n- Basisschicht ungefähr zwischen 1 · 1013 cm-3 und 1 · 1014 cm-3 und in der Zwischenschicht ungefähr zwischen 2 · 1014 cm-3 und 8 · 1014 cm-3 liegt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Zwischenschicht eine Dicke zwischen 10 µm und 20 µm auf.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen;
Fig. 1 im Ausschnitt den Querschnitt durch die Einheits­ zelle eines MCT mit der erfindungsgemäßen Zwischen­ schicht;
Fig. 2 ein beispielhaftes Dotierungsprofil c(x) für einen MCT nach der Erfindung; und
Fig. 3A, B die auf verschiedenen Wegen errechnete Abhängigkeit des Feldüberhöhungsfaktors m von der Junction-Span­ nung V j .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel des MCT erläutert, kann jedoch in gleicher Weise auch beim herkömmlichen Thyris­ tor angewendet werden.
Fig. 1 zeigt zunächst ausschnittweise die typische Einheits­ zelle eines MCT im Querschnitt. Zwischen einer Anode A und einer Kathode K mit einem entsprechenden Anodenkontakt 10 und Kathodenkontakt 1 ist eine Schichtenfolge aus einer p⁺- dotierten p-Emitterschicht 9, einer n-dotierten n-Basisschicht 8, einer p-dotierten p-Basisschicht 7 und einer n⁺-dotierten n-Emitterschicht 5 angeordnet. Die n-Basisschicht 8 und die p- Basisschicht 7 bilden einen PN-Übergang 13.
Die p-Basisschicht 7 tritt in einem bestimmten Bereich an die Oberfläche des Halbleitersubstrats und bildet dort zusammen mit einem n-dotierten Kanalgebiet 6, einem p⁺-dotierten Sourcegebiet 4 und einer darüberliegenden, durch eine Gateisolierung 2 vom Substrat getrennten Gateelektrode 3 einen MOS-kontrollierten Kurzschluß. Die Wirkungsweise dieser Anordnung kann im Einzelnen dem o.g. Artikel von V.A. Temple entnommen werden.
Gemäß der Erfindung wird diese an sich bekannte Thyris­ torstruktur nun kathodenseitig zwischen der n-Basisschicht 8 und der p-Basisschicht 7 um eine Zwischenschicht 11 erweitert, welche eine höhere n-Dotierung aufweist als die n-Basisschicht 8.
Die Maximalwerte der Dotierungskonzentration in der Zwischen­ schicht 11 liegen dabei vorzugsweise ungefähr im Bereich von 2 · 1014 cm-3 bis 8 · 1014 cm-3.
Weiterhin hat die Zwischenschicht vorzugsweise eine Dicke D im Bereich zwischen 10 und 20 µm.
Vorteilhaft ist darüberhinaus die Einfügung einer höher n-do­ tierten Bufferschicht 12 zwischen der n-Basisschicht 8 und der p-Emitterschicht 9.
Fig. 2 zeigt im logarithmischen Maßstab eine typische Verteilung der Dotierungskonzentration c entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinie B-B in Abhängigkeit von der dort definierten Tiefe x. Die Substratdotierung bzw. die Dotierung der n-Basisschicht 8 beträgt hierbei 2 · 1013 cm-3.
Die Feldüberhöhung beim schnellen Abschalten wird durch die erfindungsgemäße Zwischenschicht 11 drastisch reduziert. Um dies näher erläutern zu können, soll an dieser Stelle zunächst ein Maß ähnlich einer "figure of merit" definiert werden, welches es gestattet, die vorgeschlagenen Strukturen bezüglich der Feldüberhöhung zu bewerten.
Zu diesem Zweck wird ein Quotient gebildet, der als Feldüber­ höhungsfaktor m bezeichnet werden soll. Diese dimensionslose Zahl ist das Verhältnis der maximalen elektrischen Feldstärke in Gegenwart driftender Löcher zur maximalen Feldstärke im statischen Fall (kein Stromfluß über den PN-Übergang).
Betrachtet wird nun für eine Struktur mit dem Dotierstoffpro­ fil aus Fig. 2 (max. Dotierung der Zwischenschicht 11: 8 · 1014 cm-3) sowie für ein weiteres nicht dargestelltes, aber zu Fig. 2 analoges Dotierstoffprofil (max.Dotierung der Zwischen­ schicht 11: 5 · 1014 cm-3) und schließlich für eine herkömm­ liche Struktur ohne Zwischenschicht (konstante Dotierung der n-Basisschicht: 2 · 1013 cm-3) der oben definierte Felderhö­ hungsfaktor m als Funktion der Junction-Spannung V j über dem PN-Übergang 13 (Fig. 3A, B).
Die in Fig. 3A dargestellten Kurven A, B und C (eine Löcherstromdichte von 100 Acm-2 wurde hier angenommen) wurden aus Simulationen mit dem eindimensionalen Device-Simulations­ programm COMPASS gewonnen. Für die herkömmliche Struktur (Kurve A) erhält man einen Wert von etwa 2,2 für den Feldüberhöhungsfaktor m, welcher in erster Näherung unabhängig von der anliegenden Junction-Spannung ist. Die relative Er­ höhung des elektrischen Feldes beträgt also 120%.
Durch die Einführung der erfindungsgemäßen Zwischenschicht 11 (Kurven B und C; max. Dotierung bei Kurve B: 5 · 1014 cm-3; max. Dotierung bei Kurve C: 8 · 1014 cm-3) kann der Feldüberhö­ hungsfaktor m bis auf Werte von 1,3 (V = 200V) bis 1,5 (V = 1000V) begrenzt werden. Fig. 3 zeigt für die gleichen Struk­ turen vergleichbare Kurven, welche aus einer analytischen Be­ trachtung gewonnen worden sind.
Naturgemäß führt die Einfügung der Zwischenschicht 11 zu einer Reduzierung der statischen Durchbruchspannung des PN-Übergangs 13. Die Verringerung der Durchbruchspannung ist bei geschickter Auslegung der Dotierung und Dicke der Zwischen­ schicht (wie in den obigen Beispielen bereits geschehen) aber durchaus tolerierbar.
Aus Rechnungen mit Hilfe des bereits erwähnten numerischen Si­ mulationsprogramms COMPASS hat sich ergeben, daß die erreich­ bare Durchbruchspannung durch das Einfügen der höher dotierten Zwischenschicht kleiner ist als die ideale Durchbruchspannung des Thyristors mit homogen dotierter n-Basis. Für eine Dotie­ rung in der n-Basisschicht von 1 · 1014 cm-3 und eine Dicke D der Zwischenschicht von 15 µm ergeben sich für verschieden maximale Dotierungen der Zwischenschicht z.B. folgende Durchbruchspannungen (in % der Durchbruchspannung ohne Zwi­ schenschicht):
3 · 1014 cm-3: 91,8%
5 · 1014 cm-3: 83,9%
8 · 1014 cm-3: 71,1%
Bei einer Dotierung in der n-Basisschicht von 21014 cm-3 lau­ ten die analogen Ergebnisse:
3 · 1014 cm-3: 97,4%
5 · 1014 cm-3: 91,1%
8 · 1014 cm-3: 82,3%
Akzeptiert man eine Reduktion um 20%, so können bei der hier zugrundegelegten Dicke der Zwischenschicht von 15 µm maximale Dotierungen von 5 · 1014 bis 8 · 1014 cm-3 realisiert werden. Ab­ schließend soll noch darauf hingewiesen werden, daß natür­ lich bereits durch den Randabschluß des Bauelements eine Re­ duktion der idealen Durchbruchspannung um typischerweise 10 bis 30% unvermeidbar ist, so daß die Verringerung infolge der erhöhten Dotierung der n-Basis kaum noch ins Gewicht fällt.
Die Erfindung zielt darauf ab, in erster Linie bei MCTs den verfrühten dynamischen Durchbruch aufgrund einer Filamen­ tierung zu verhindern. Wegen der im Vergleich zu herkömmlichen Thyristoren sehr dünnen p-Basisschicht dieser Bauelemente kann die vorgeschlagene Zwischenschicht gerade hier besonders ein­ fach durch einen Implantations- oder Diffusionsschritt (Phosphor) mit anschließender Temperung erzeugt werden.
Dieser Schritt liegt vor der Durchführung der einzelnen Dotie­ rungen zur Herstellung von p-Basisschicht, n-Emitterschicht und Sourcegebiet. Für die Erzeugung der Zwischenschicht in Thyristoren mit dickerer p-Basisschicht scheidet die einfache Diffusionstechnik aus. Epitaktisches Wachstum dotierter Schichten ist ein weiteres alternatives Verfahren für die Her­ stellung der angestrebten Schichten. Mit Hilfe der Epitaxie kann das Prinzip der Erfindung auch bei herkömmlichen Thyris­ toren angewandt werden.

Claims (6)

1. Steuerbares Leistungshalbleiterbauelement, umfassend
  • (a) eine Anode (A), eine Kathode (K) und ein Gate;
  • (b) zwischen der Anode (A) und der Kathode (K) eine Schichtenfolge aus einer p-Emitterschicht (9), einer n- Basisschicht (8), einer p-Basisschicht (7) und einer n- Emitterschicht (5); und
  • (c) auf der Seite der Kathode (K) eine Gate-Kathoden-Struk­ tur;
dadurch gekennzeichnet, daß
  • (d) zwischen der n-Basisschicht (8) und der p-Basisschicht (7) eine n-dotierte Zwischenschicht (11) angeordnet ist; und
  • (e) die Dotierungskonzentration (c) in der Zwischenschicht (11) höher ist als in der n-Basisschicht (8).
2. Abschaltbares Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement die Struktur eines MOS-kontrollierten Thyristors (MCT) aufweist.
3. Abschaltbares Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration (c) in der n-Basisschicht (8) ungefähr zwischen 1 · 1013 cm-3 und 1 · 1014 cm-3 und in der Zwischenschicht (11) ungefähr zwi­ schen 2 · 1014 cm-3 und 8 · 10 cm-3 liegt.
4. Abschaltbares Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichent, daß die Zwischenschicht (11) eine Dicke (D) zwischen 10 µm und 20 µm aufweist.
5. Abschaltbares Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, das zwischen der n-Basisschicht (8) und der p-Emitterschicht (9) eine gegenüber der n-Basisschicht (8) höher n-dotierte Bufferschicht (12) angeordnet ist.
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